CN207114769U - 基于低轨卫星星座和c波段信号的新型卫星导航系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种基于低轨卫星星座和C波段信号的新型卫星导航系统，所述基于低轨卫星星座和C波段信号的新型卫星导航系统包括低轨卫星星座和用户接收机。所述低轨卫星星座基于C波段向所述用户接收机提供C波段导航信号；以及所述用户接收机根据由所述低轨卫星星座提供的所述C波段导航信号进行定位导航。根据本申请能够提供一种独立的基于低轨卫星星座和C波段信号的新型卫星导航系统，服务范围更广、可用性更强。
Description
技术领域
本申请涉及基于低轨卫星星座和C波段信号的新型卫星导航系统。
背景技术
时间和空间信息是推动军事变革、经济发展和科技进步最基本的信息资源，而定位、导航与授时(PNT)是时间和空间信息最主要、最有效的应用，在国家安全、经济社会发展以及科学研究中起着不可或缺的重要作用。
以美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲Galileo和中国BDS为代表的全球导航卫星系统(GNSS)能够在统一的时空框架下为全球范围的各类用户提供全天候、全天时的PNT服务，已经成为全球性的关键信息基础设施，得到了广泛和深入的应用，显示出了巨大的军事、经济和社会价值，从某种意义上来说GNSS的应用已经彻底改变了人类军事斗争、生产活动和日常生活的方式，世界军民用户对GNSS逐步形成了很大依赖性。例如能源、交通、电讯、金融等国家和行业重要基础设施的可靠、安全运行，都依赖于精准的时空信息；互联网、大数据、云计算的崛起也与时空信息密不可分；甚至在军事方面，成为增强武器效能，维护国家安全的命脉。
然而，由GNSS技术体制决定，GNSS信号存在固有的局限性和脆弱性，主要体现在以下方面：1)服务范围有限。卫星导航在室内、高山峡谷和密集城区等存在物理遮挡的环境以及南北两极无法提供高精度、高可靠的PNT服务；2)安全性有限。GNSS信号对电磁干扰十分敏感，在存在无意或有意干扰、欺骗等复杂电磁环境下无法提供安全、可信的PNT服务；3)完好性及可用性能力有限。由于定位精度、卫星几何分布、易受干扰等因素，难以满足以飞行器自主着舰、着陆等航空应用为代表的生命安全服务对高完好性和可用性的需求。
因此，提供一种服务范围更广、可用性更强的卫星导航系统将是未来的发展趋势。
实用新型内容
本申请的目的是提供一种新型卫星导航系统，其服务范围更广、可用性更强。
本申请提供了一种基于低轨卫星星座和C波段信号的新型卫星导航系统，所述新型卫星导航系统包括低轨卫星星座和用户接收机，其特征在于，所述低轨卫星星座基于C波段向所述用户接收机提供C波段导航信号；以及所述用户接收机根据由所述低轨卫星星座提供的所述C波段导航信号进行定位导航。
根据一种实施方式，本申请还提供了一种新型卫星导航系统，其特征在于，所述低轨卫星星座包括分布在多个轨道面的多颗低轨卫星，所述多颗低轨卫星通过C波段调制生成所述C波段导航信号并播发所述C波段导航信号；以及所述用户接收机接收所述C波段导航信号，并根据所述C波段导航信号，通过捕获跟踪和解算进行定位导航。
根据一种实施方式，本申请还提供了一种新型卫星导航系统，其特征在于，所述C波段导航信号调制于C波段的导航频段。
根据一种实施方式，本申请还提供了一种新型卫星导航系统，其特征在于，所述C波段导航信号调制于C波段的5010MHz-5030MHz频段之内。
根据一种实施方式，本申请还提供了一种新型卫星导航系统，其特征在于，所述低轨卫星星座的多颗低轨卫星通过星间链路进行星间信息传递，以及进行星间时间及频率同步。
根据一种实施方式，本申请还提供了一种新型卫星导航系统，其特征在于，所述低轨卫星星座的多颗低轨卫星中的每一颗卫星包括为该卫星提供时间和频率基准的高稳频率源。
根据一种实施方式，本申请还提供了一种新型卫星导航系统，其特征在于，所述低轨卫星星座的多颗低轨卫星中的至少一颗卫星包括星上原子钟，所述包括星上原子钟的至少一颗卫星通过星间链路为其他卫星提供高精度时间和频率校准。
根据一种实施方式，本申请还提供了一种新型卫星导航系统，其特征在于，所述新型卫星导航系统还包括地面支持系统，所述地面支持系统对所述低轨卫星星座进行实时监测与控制，并向所述低轨卫星星座提供生成C波段导航信号所需的上行注入信息。
根据一种实施方式，本申请还提供了一种新型卫星导航系统，其特征在于，所述用户接收机包括C波段天线、C波段射频单元、和基带处理单元，其中，所述C波段天线接收所述C波段导航信号；所述C波段射频单元将接收到的所述C波段导航信号下变频为基带信号；以及所述基带处理单元对基带信号通过捕获跟踪和解算进行定位导航。
根据一种实施方式，本申请还提供了一种新型卫星导航系统，其特征在于，所述多颗低轨卫星播发的C波段导航信号包括带有时间和位置信息的伪随机直接序列扩频信号，所述用户接收机通过测量直接序列扩频信号的传输相位延迟获得用户相对卫星的伪距并解调卫星轨道参数，并且所述用户接收机的基带处理单元根据所获得的伪距和轨道参数计算所述用户接收机的位置。
根据一种实施方式，本申请还提供了一种新型卫星导航系统，其特征在于，所述多颗低轨卫星播发的C波段导航信号包括具有C波段固定频率的载波信号，所述用户接收机多次接收所述载波信号，获得多个多普勒频率偏移，并根据所述多个多普勒频率偏移计算所述用户接收机相对卫星在不同时刻的距离差，以计算所述用户接收机的位置。
根据一种实施方式，本申请还提供了一种新型卫星导航系统，其特征在于，所述多颗低轨卫星播发的C波段导航信号包括带有时间和位置信息的伪随机直接序列扩频信号和具有C波段固定频率的载波信号，所述用户接收机通过测量直接序列扩频信号的传输相位延迟获得用户相对卫星的伪距并解调卫星轨道参数，以及所述用户接收机多次接收所述载波信号，获得多个多普勒频率偏移，并根据获得的伪距、轨道参数以及距离差联合计算所述用户接收机的位置。
通过本申请提供的基于低轨卫星星座和C波段信号的新型卫星导航系统，获得了更广的服务范围和更强的可用性。
附图说明
图1示出了根据本申请的一种实施方式的基于低轨卫星星座和C波段信号的新型卫星导航系统。
图2示出了根据本申请的另一种实施方式的基于低轨卫星星座和C波段信号的新型卫星导航系统。
图3示出了根据本申请的一种实施方式的基于低轨卫星星座和C波段信号的新型卫星导航系统的用户接收机的示意框图。
具体实施方式
下面参照附图对本申请公开的基于低轨卫星星座和C波段信号的新型卫星导航系统进行详细说明。为简明起见，本申请各实施方式的说明中，相同或类似的装置使用相同或相似的附图标记。
目前，现存的或规划中的卫星导航系统都计划使用L频段(1-2GHz)提供导航服务，造成了L频段越来越拥挤，使得各系统信号间的频谱重叠不可避免，也导致频率协调的难度越来越大，使得各系统信号间的兼容性问题变得越来越严峻。在2000年的世界无线电通信会议(WRC2000)上ITU划分划分C波段的5010MHz-5030MHz频段为卫星无线电导航应用专用频段，远离常用的L波段导航信号，受到其它导航信号的影响较小，对兼容性的要求也较低。而且对于L波段导航信号的有意或无意干扰，均不会影响到C波段的5010MHz-5030MHz频段导航信号，所以具有相对较高的安全性。
C波段信号具有较少的频谱干扰，较低的电离层误差和较高的功率通量密度(Power Flux Density，PFD)的特性。但由于C波段比L波段有更大的自由空间传输衰减，现有GNSS采用的中轨轨道(MEO)和高轨轨道(GEO)轨道很高且星上C波段发射功率有限，迄今无法在GNSS中得到利用。
根据本申请，提供了一种基于低轨卫星星座和C波段信号的新型卫星导航系统，能够通过低轨卫星星座并利用C波段导航频段实现独立的导航系统。此外，本申请由于采用低轨轨道(LEO)，相对于传统GNSS卫星高度而言与地面用户距离更近，有效抵消了C波段信号自由空间衰落的不利影响。
而且C波段具有较小的电离层传播误差，能提供非常精确的单频服务，与L频段的伪距组合能够更好的消除电离层时延；同时，C波段的载波相位多径误差更小，利用载波进行伪距平滑的效果更好，且由热噪声引起的相位跟踪误差更小。因此可大幅提升卫星导航整体的完好性及可用性，并提升定位精度。
图1示出了根据本申请的基于低轨卫星星座和C波段信号的新型卫星导航系统的一种实施方式。如图所示，新型卫星导航系统1，包括低轨卫星星座100和用户接收机200。低轨卫星星座100基于C波段向用户接收机200提供C波段导航信号。用户接收机200根据接收到的C波段导航信号进行定位导航。
低轨卫星星座100包括分布在多个轨道面的多颗低轨卫星110。卫星110可以包括常规卫星、小卫星或者微小卫星。多颗低轨卫星110之间通过星间链路相连，构成卫星网络。根据一种实施方式，低轨卫星星座的多颗低轨卫星通过星间链路进行星间信息传递，并实现星间时间、频率的同步。低轨卫星星座100的构型可以形成全球定位，也可以形成区域定位。
多颗低轨卫星110通过C波段调制生成C波段导航信号。其中，C波段导航信号调制于C波段的5010MHz-5030MHz频段之内。
用户接收机200可以接收C波段导航信号，并根据C波段导航信号通过捕获跟踪和解算进行定位导航。根据本申请的实施方式，用户接收机200可以设置在任意位置。如图1所示，用户接收机200可以包括设置在建筑物中的室内用户接收机200-1，设置在移动终端中的用户接收机200-2，设置在飞行器中的用户接收机200-3，以及设置在舰船中的用户接收机200-4等。
这样，根据本申请通过低轨卫星星座并利用C波段导航频段能够提供一种独立的新型卫星导航系统。设地球直径为6371km。L1波段波长为0.19m，C波段5010MHz-5030MHz频段波长为0.06m，按照GPS卫星轨道高度为20200km、L1频点为1575.42MHz、低轨卫星高度1000km、C波段导航频段中心频点5020MHz计算，设卫星发射功率相同，在各种仰角情况下，低轨卫星基于C波段导航信号到达用户接收机的自由空间损耗均比L波段小30dB以上。因此C波段导航信号能够更好的满足室内定位、高山峡谷和密集城区的定位导航需求。如图1所示，用户接收机200可以包括设置在建筑物中的室内用户接收机200-1，设置在移动终端中的用户接收机200-2，设置在飞行器中的用户接收机200-3，以及设置在舰船中的用户接收机200-4等。
根据一种实施方式，低轨卫星星座的多颗低轨卫星中的每一颗卫星包括为该卫星提供时间和频率基准的高稳频率源。高稳频率源可以包括星上原子钟或者高稳微波频率源。
根据一种实施方式，低轨卫星星座的多颗低轨卫星中的至少一颗卫星包括星上原子钟。其他卫星包括高稳微波频率源。这样，包括星上原子钟的至少一颗卫星可以通过星间链路为其他包括高稳微波频率源的卫星提供高精度时间和频率校准。从而实现低轨卫星星座之间的高精度时间同步，保证高精度定位、导航及授时。
图2示出了根据本申请的另一种实施方式的基于低轨卫星星座和C波段信号的新型卫星导航系统。如图2所示，基于低轨卫星星座和C波段信号的新型卫星导航系统还可以包括地面系统300，以向低轨卫星星座100提供生成C波段导航信号所需要的上行注入信息。上行注入信息可以包括卫星星历、卫星工作状态、卫星时钟信息及修正值、电离层时延校正、对流层时延校正、大气折射修正等。此外，地面支持系统300还可以对低轨卫星星座100进行实时监测与控制，保证低轨卫星星座的正常运行。
图3示出了根据本申请的一种实施方式的基于低轨卫星星座和C波段信号的新型卫星导航系统的用户接收机的示意框图。用户接收机200具备接收和处理C波段导航信号的能力，可以为用户提供定位导航授时(PNT)信息。
如图所示，用户接收机200包括C波段天线210、C波段射频单元220和基带处理单元230。
C波段天线210能够接收5010MHz-5030MHz的C波段导航通信融合信号。C波段天线的线性尺寸仅为标准L频段天线的1/3左右，更有利于导航终端的小型化天线设计。
C波段射频单元220能够将接收到的C波段导航信号下变频为基带信号。C波段射频单元具有良好的频率选择性，并且在通带的纹波比小，附加相移在通带内均衡。
基带处理单元230能够对基带信号通过捕获跟踪和解算进行定位导航。基带处理单元可包括专用芯片、现场可编程门阵列或数字信号处理器，其应具有高速的信号处理能力。
根据一种实施方式，低轨卫星110播发的C波段导航信号包括带有时间和位置信息的伪随机直接序列扩频信号，导航接收机通过测量直接序列扩频信号的传输相位延迟获得用户相对卫星的相对距离(伪距)，并解调卫星轨道参数等数据。当导航接收机可同时观测到多颗低轨卫星时，根据所获得的相对距离和轨道参数等数据，接收机200的基带处理单元230可以根据定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息，实现定位导航。
可以理解，如果导航接收机的可见卫星数量大于等于4颗时，可以采用伪距定位方式。但是存在某些时间，其中接收机的可见卫星数量小于4颗。例如，如图1所示，设置在飞行器中的用户接收机200-3的可见卫星数量为3颗，设置在舰船中的用户接收机200-4的可见卫星数量为1颗。根据本申请的一种实施方式，由于低轨卫星星座与用户接收机之间存在高速相对运动，而且多普勒频移与载波频率成线性正比，C波段导航信号的多普勒频移可以比L波段大三倍以上，因此低轨C波段导航卫星可以为用户接收机带来较大的多普勒频移，从而当接收机的可见卫星数量小于4颗时，仍然能够根据多普勒频移，实现精确定位、导航与授时功能。
根据一种实施方式，低轨卫星110播发的C波段导航信号包括具有载波信号，该载波信号具有C波段固定频率。当卫星通过导航接收机上空时，导航接收机多次接收低轨卫星在时刻ti(位置其中i表示接收次数)播发的信号，导航接收机则要在ti+Δti时才能收到。由卫星信号的传播延迟可知，在相邻两时刻卫星信号之间，导航接收机可以观测到多个多普勒频率偏移Ni。当已知低轨C波段导航卫星发播信号的波长λk和导航接收机积分间隔τ,可根据多个多普勒频率偏移计算导航接收机相对卫星不同时刻的距离差而距离差又是导航接收机坐标和低轨C波段导航卫星坐标的函数，因而可以根据获得的距离差计算接收机的位置，实现定位导航。通过这样的方式，接收机能够实现可见卫星数量小于4颗时的精确定位，甚至单星定位。
根据一种实施方式，低轨卫星110播发的C波段导航信号包括带有时间和位置信息的伪随机直接序列扩频信号和具有固定频率的载波信号。导航接收机通过测量直接序列扩频信号的传输相位延迟获得用户相对卫星的相对距离(伪距)，并解调卫星轨道参数等数据，并通过多次接收低轨卫星播发的信号，观测多个多普勒频率偏移，计算导航接收机相对卫星不同时刻的距离差。导航接收机可以根据获得的伪距、轨道参数以及距离差来联合计算接收机的位置信息。这种导航接收机同时通过多普勒频移和伪码测距的方法，可在不大幅增加导航接收机设计难度的基础上，增加卫星信号的可用性，进一步提升定位的精度和灵敏度。
以上参照附图对本申请的示例性的实施方案进行了描述。本领域技术人员应该理解，上述实施方案仅仅是为了说明的目的而所举的示例，而不是用来进行限制，凡在本申请的教导和权利要求保护范围下所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本申请要求保护的范围内。
Claims (12)
1.一种基于低轨卫星星座和C波段信号的新型卫星导航系统，所述新型卫星导航系统包括低轨卫星星座和用户接收机，其特征在于，
所述低轨卫星星座基于C波段向所述用户接收机提供C波段导航信号；以及
所述用户接收机根据由所述低轨卫星星座提供的所述C波段导航信号进行定位导航。
2.如权利要求1所述的新型卫星导航系统，其特征在于，
所述低轨卫星星座包括分布在多个轨道面的多颗低轨卫星，所述多颗低轨卫星通过C波段调制生成所述C波段导航信号并播发所述C波段导航信号；以及
所述用户接收机接收所述C波段导航信号，并根据所述C波段导航信号，通过捕获跟踪和解算进行定位导航。
3.如权利要求1所述的新型卫星导航系统，其特征在于，所述C波段导航信号调制于C波段的导航频段。
4.如权利要求3所述的新型卫星导航系统，其特征在于，所述C波段导航信号调制于C波段的5010MHz-5030MHz频段之内。
5.如权利要求1所述的新型卫星导航系统，其特征在于，所述低轨卫星星座的多颗低轨卫星通过星间链路进行星间信息传递，以及进行星间时间及频率同步。
6.如权利要求1所述的新型卫星导航系统，其特征在于，所述低轨卫星星座的多颗低轨卫星中的每一颗卫星包括为该卫星提供时间和频率基准的高稳频率源。
7.如权利要求6所述的新型卫星导航系统，其特征在于，所述低轨卫星星座的多颗低轨卫星中的至少一颗卫星包括星上原子钟，所述包括星上原子钟的至少一颗卫星通过星间链路为其他卫星提供高精度时间和频率校准。
8.如权利要求1所述的新型卫星导航系统，其特征在于，所述新型卫星导航系统还包括地面支持系统，所述地面支持系统对所述低轨卫星星座进行实时监测与控制，并向所述低轨卫星星座提供生成C波段导航信号所需的上行注入信息。
9.如权利要求2所述的新型卫星导航系统，其特征在于，所述用户接收机包括C波段天线、C波段射频单元、和基带处理单元，其中，
所述C波段天线接收所述C波段导航信号；
所述C波段射频单元将接收到的所述C波段导航信号下变频为基带信号；以及
所述基带处理单元对基带信号通过捕获跟踪和解算进行定位导航。
10.如权利要求9所述的新型卫星导航系统，其特征在于，所述多颗低轨卫星播发的C波段导航信号包括带有时间和位置信息的伪随机直接序列扩频信号，所述用户接收机通过测量直接序列扩频信号的传输相位延迟获得用户相对卫星的伪距并解调卫星轨道参数，并且所述用户接收机的基带处理单元根据所获得的伪距和轨道参数计算所述用户接收机的位置。
11.如权利要求9所述的新型卫星导航系统，其特征在于，所述多颗低轨卫星播发的C波段导航信号包括具有C波段固定频率的载波信号，所述用户接收机多次接收所述载波信号，获得多个多普勒频率偏移，并根据所述多个多普勒频率偏移计算所述用户接收机相对卫星在不同时刻的距离差，以计算所述用户接收机的位置。
12.如权利要求9所述的新型卫星导航系统，其特征在于，所述多颗低轨卫星播发的C波段导航信号包括带有时间和位置信息的伪随机直接序列扩频信号和具有C波段固定频率的载波信号，所述用户接收机通过测量直接序列扩频信号的传输相位延迟获得用户相对卫星的伪距并解调卫星轨道参数，以及所述用户接收机多次接收所述载波信号，获得多个多普勒频率偏移，并根据获得的伪距、轨道参数以及距离差联合计算所述用户接收机的位置。
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